JP2019009414A - 積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】変位性能の高い積層圧電素子を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る積層圧電素子は、積層圧電体と、複数の内部電極とを具備する。上記積層圧電体は、第1軸方向に対向する一対の主面と、上記第1軸方向に直交し長手方向である第2軸方向に対向する一対の端面と、上記第1軸方向及び上記第2軸方向に直交する第3軸方向に対向する一対の側面とを有する。上記複数の内部電極は、上記積層圧電体の内部に配置され、上記第1軸方向に積層される。上記複数の内部電極のうち、上記積層圧電体の中央部に配置された中央内部電極の上記第3軸方向から見た第1断面は、上記中央内部電極の上記第2軸方向から見た第2断面よりも大きな起伏を有する。【選択図】図2

Description

本発明は、圧電体と電極が交互に積層された積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器に関する。
圧電体が内部電極と交互に多数積層され、これらの内部電極と接続された端面電極(外部電極)を有する積層圧電素子が知られている(特許文献1参照)。積層圧電素子は、外部電極及び内部電極を介して複数の圧電体に電圧が印加されることで、圧電逆効果により伸縮する。このような積層圧電素子は、小型で大きな変位が得られるため、大きな発生力や高速応答性が要求されるアクチュエータ部品に広く用いられている。
積層圧電素子が採り得る振動モードとして、厚み方向(積層方向)に伸縮する圧電定数がd33の振動モードと、内部電極面に沿った方向に伸縮する圧電定数がd31の振動モードとが知られている。積層圧電素子は、その形状等を制御することで振動モードを制御することができる。例えば、積層圧電素子において内部電極面に沿った方向を長手方向とすることで、d31の振動モードを優位にすることができる。
特開2016−100760号公報 国際公開2016/052582号明細書
積層圧電素子は、上述のように圧電体として機能しない複数の電極を有する。したがって、変位性能を向上させるためには、振動モードに応じた最適な構造設計が求められる。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、変位性能の高い積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る積層圧電素子は、積層圧電体と、複数の内部電極とを具備する。
上記積層圧電体は、第1軸方向に対向する一対の主面と、上記第1軸方向に直交し長手方向である第2軸方向に対向する一対の端面と、上記第1軸方向及び上記第2軸方向に直交する第3軸方向に対向する一対の側面とを有する。
上記複数の内部電極は、上記積層圧電体の内部に配置され、上記第1軸方向に積層される。
上記複数の内部電極のうち、上記積層圧電体の中央部に配置された中央内部電極の上記第3軸方向から見た第1断面は、上記中央内部電極の上記第2軸方向から見た第2断面よりも大きな起伏を有する。
上記構成によれば、中央部に配置された内部電極の長手方向に沿った起伏が大きいことから、長手方向に沿った変位性能を向上させることができる。
具体的には、上記第1断面の上記第1軸方向における中央に沿って走行し上記第2軸方向に100μmの長さを有する第1走行線と、上記第1走行線の端点間を結ぶ第1基準線との上記第1軸方向における最大乖離寸法は、上記第2断面の上記第1軸方向における中央に沿って走行し上記第3軸方向に100μmの長さを有する第2走行線と、上記第2走行線の端点間を結ぶ第2基準線との上記第1軸方向における最大乖離寸法よりも大きくてもよい。
このように、中央に配置された内部電極は、長手方向に沿って微小な起伏を有する構成とすることができる。
例えば、上記第1走行線と上記第1基準線との最大乖離寸法は、2μm以上であってもよい。
さらに、上記複数の内部電極のうち、上記積層圧電体の上記一対の主面のうちの一方の主面に最も近い位置に配置された周縁内部電極の上記第3軸方向から見た第3断面よりも、上記第1断面は大きな起伏を有していてもよい。
これにより、周縁に配置された内部電極よりも、中央に配置された内部電極の方が大きな起伏を有する構成とすることができる。
本発明の一形態に係る圧電振動装置は、上記積層圧電素子と、振動板と、接着層と、を具備する。
上記振動板は、上記積層圧電素子に対して上記第1軸方向に対向する。
上記接着層は、上記積層圧電素子と上記振動板との間に配置されている。
本発明の一形態に係る電子機器は、上記積層圧電素子と、パネルと、筐体と、を具備する。
上記パネルは、上記積層圧電素子が上記第1軸方向に対向した状態で接着されている。
上記筐体は、上記パネルを保持する。
以上のように、本発明によれば、変位性能の高い積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る積層圧電素子の斜視図である。 上記積層圧電素子の図1のA−A'線に沿った断面図である。 上記積層圧電素子の図1のB−B'線に沿った断面図である。 図2の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。 図3の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。 電圧値に対する変位量の実験結果を示すグラフである。 上記積層圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。 上記積層圧電素子の製造過程を示す斜視図である。 上記積層圧電素子の製造過程を示す斜視図である。 上記実施形態の変形例に係る積層圧電素子の図2に対応する断面図である。 上記積層圧電素子の図3に対応する断面図である。 図10の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。 図10の他の部分の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。 上記積層圧電素子を用いた圧電振動装置の断面図である。 上記積層圧電素子を用いた電子機器の平面図である。 上記電子機器の図15AのC−C'線に沿った断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図面には、適宜相互に直交するX軸、Y軸、及びZ軸が示されている。X軸方向は「第2軸方向」、Y軸方向は「第3軸方向」、Z軸方向は「第1軸方向」にそれぞれ対応する。X軸、Y軸、及びZ軸は全図において共通である。
[積層圧電素子の基本構成]
図1〜3は、本発明の一実施形態に係る積層圧電素子10を示す図である。図1は、積層圧電素子10の斜視図である。図2は、積層圧電素子10の図1のA−A'線に沿った断面図である。図3は、積層圧電素子10の図1のB−B'線に沿った断面図である。
積層圧電素子10は、積層圧電体11と、第1外部電極14と、第2外部電極15と、複数の第1内部電極12と、複数の第2内部電極13と、第1表面電極16と、第2表面電極17と、を備える。
積層圧電体11は、後述するように、複数の圧電体層20が積層されたものである。積層圧電体11は、X軸方向を向いた2つの端面11a,11bと、Y軸方向を向いた2つの側面11c,11dと、Z軸方向を向いた2つの主面11e,11fと、を有する。典型的には、各面は略矩形に構成される。
積層圧電体11は、X軸方向に沿って長手方向を有する。これにより、X軸方向に沿った伸縮が優位となり、d31の圧電定数を有する積層圧電素子10を構成することができる。
なお、積層圧電体11の形状は、図1〜3に示すような直方体形状でなくてもよい。例えば、積層圧電体11の各面を接続する稜部は面取りされていてもよい。また、積層圧電体11の各面は曲面であってもよく、積層圧電体11は全体として丸みを帯びた形状であってもよい。
積層圧電体11には、駆動電圧を供給するための複数の電極が配置される。積層圧電体11の端面11a,11bには、外部電極14,15が配置される。積層圧電体11の内部には、複数の内部電極12,13が配置され、主面11e,11fには、それぞれ表面電極16,17が配置される。第1内部電極12及び第1表面電極16は、第1外部電極14に接続され、第2内部電極13及び第2表面電極17は、第2外部電極15に接続される。
積層圧電体11は、圧電活性部18と、サイドマージン部19と、を有する。サイドマージン部19は、圧電活性部18のY軸方向を向いた両側面の全領域をそれぞれ覆っている。また、積層圧電体11は、必要に応じて、圧電活性部18とサイドマージン部19とを接合するための接合部を有していてもよい。
圧電活性部18は、複数の圧電体層20を有し、これらの圧電体層20と複数の内部電極12、13とがZ軸方向に交互に積層された構成を有する。最外層の圧電体層20上には、第1表面電極16及び第2表面電極17がそれぞれ配置される。
なお、積層圧電体11のうち圧電活性を有する領域は、厳密にはZ軸方向に隣り合う内部電極12,13及び表面電極16,17が対向する領域であるが、ここでは内部電極12,13及び表面電極16,17が引き出される端面11a,11bまでの領域を圧電活性部18とする。
圧電体層20は、圧電特性を有するセラミックスで形成される。このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)を主成分とするペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO)やタンタル酸リチウム(LiTaO)など主成分とする酸化物を用いることができる。
サイドマージン部19は、内部電極12,13及び表面電極16,17を有さず、圧電活性を有さない領域である。サイドマージン部19は、圧電活性部18を保護し、内部電極12,13及び表面電極16,17の絶縁性を確保する機能を有する。サイドマージン部19は、絶縁性セラミックスで形成されればよいが、圧電体層20と同様の圧電特性を有するセラミックスを用いることにより、積層圧電体11における内部応力を緩和することができる。
内部電極12,13は、Z軸方向に積層された複数の圧電体層20の間に、Z軸方向に沿って交互に配置されている。第1内部電極12は、第1外部電極14に接続され、第2外部電極15から離間している。第2内部電極13は、第2外部電極15に接続され、第1外部電極14から離間している。これにより、Z軸方向に隣り合う内部電極12,13が、これらの間の圧電体層20に駆動電圧を印加できる。内部電極12,13は、例えば矩形状に形成される。
内部電極12,13は、圧電セラミックスとの反応性が低い銀(Ag)や銀−パラジウム(Pd)を主成分とする導体、あるいは銅(Cu)、白金(Pt)などを含む導体で形成することができる。あるいは、これらの材料にセラミック成分やガラス成分を含有させてもよい。
表面電極16,17は、最外層の圧電体層20上にそれぞれ配置され、第1表面電極16は主面11e上、第2表面電極17は主面11f上にそれぞれ配置される。第1表面電極16は、第1外部電極14に接続され、第2外部電極15から離間している。第2表面電極17は、第2外部電極15に接続され、第1外部電極14から離間している。
第1表面電極16は、主面11eに最も近い第2内部電極13との間の圧電体層20に駆動電圧を印加できる。第2表面電極17は、主面11fに最も近い第1内部電極12との間の圧電体層20に駆動電圧を印加できる。表面電極16,17と最外層の内部電極12,13との間の圧電体層20は、一層でもよいし、複数層でもよい。
表面電極16,17により、積層圧電体11の圧電活性領域を増やすことができ、積層圧電体11全体を伸縮させることができる。
表面電極16,17は、内部電極12,13と同様の矩形状にそれぞれ形成されてもよいが、所定のパターンを有していてもよい。
表面電極16,17は、銀(Ag)、銀にシリカ(Si)を主成分としたガラス等を含有させた銀化合物、ニッケル(Ni)などで形成することができる。
外部電極14,15は、積層圧電体11の端面11a,11bを覆い、端面11a,11bに接続する4つの面(2つの側面11c,11d及び2つの主面11e,11f)に延出している。これにより、外部電極14,15のいずれにおいても、X−Z平面に平行な断面及びX−Y平面に平行な断面の形状がU字状となっている。なお、外部電極14,15は、端面11a,11bのみに形成されていてもよい。
外部電極14,15は、例えば、銀、銀にシリカを主成分としたガラス等を含有させた銀化合物、ニッケルなどで構成される。
上記の構成により、積層圧電素子10では、第1外部電極14と第2外部電極15との間に電圧が印加されると、第1内部電極12と第2内部電極13との間の複数の圧電体層20に電圧が加わる。これにより、複数の圧電体層20がX軸方向に伸縮する。さらに、表面電極16,17により最外層の圧電体層20にも電圧が印加されることから、圧電活性部18全体をX軸方向に伸縮させることができる。
なお、本実施形態に係る積層圧電素子10の基本構成は、図1〜3に示す構成に限定されず、適宜変更可能である。例えば、内部電極12,13の枚数や圧電体層20の厚さは、積層圧電素子10に求められるサイズや性能に応じて、適宜決定可能である。
[内部電極の詳細構成]
積層圧電素子10は、長手方向であるX軸方向に沿って内部電極12,13が複数の起伏を有することを特徴とする。
図2及び図3に示すように、内部電極12,13は、X軸方向と平行な断面で観察されY軸方向と平行な断面では観察されない複数の起伏を有する。ここで、複数の内部電極12,13のうち、積層圧電体11の中央部に配置された内部電極を中央内部電極21とし、中央内部電極21を例に挙げて起伏の構成を説明する。
なお、中央内部電極21は、第1内部電極12及び第2内部電極13のどちらであってもよい。
図2に示すように、中央内部電極21のY軸方向から見た断面(すなわちX軸方向に平行でY軸方向に直交する断面)を第1断面22とする。一方、図3に示すように、中央内部電極21のX軸方向から見た断面(すなわちY軸方向に平行でX軸方向に直交する断面)を第2断面23とする。これらの図に示すように、第1断面22は、Z軸方向に対して突出又は陥没する複数の起伏を有するが、第2断面23は、ほぼ平坦に構成される。すなわち、第1断面22は第2断面23よりも大きな起伏を有する。このことから、中央内部電極21の電極面には、Y軸方向に沿った稜線を有しX軸方向に進行する波状の起伏が形成されていると言える。
このような起伏は、少なくとも中央内部電極21が有していればよいが、図2に示すように全ての内部電極12,13が有していてもよい。あるいは、中央内部電極21を含む1又は複数の内部電極12,13のみが有していてもよい。起伏の形状は、内部電極12,13間において略同一であってもよいし、異なっていてもよい。
中央内部電極21の微視的な形状についてさらに説明する。
図4及び5は、いずれも走査型電子顕微鏡によって縦50μm×横250μmの視野で観察した積層圧電体11の断面を示す図である。図4は、図2の拡大図に相当し、積層圧電体11のX軸方向及びZ軸方向における中央部のY軸方向に直交する断面を示す。図5は、図3の拡大図に相当し、積層圧電体11のY軸方向及びZ軸方向における中央部のX軸方向に直交する断面を示す。図4及び図5には、いずれも中央内部電極21が示されており、図4には第1断面22の一部が、図5には第2断面23の一部が、それぞれ示されている。
図4に示すように、第1断面22のZ軸方向の中央に沿って走行しX軸方向に100μm(L)の長さを有する仮想的な線を、第1走行線22aと規定する。また、第1走行線22aの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第1基準線22bと規定する。第1断面22では、第1基準線22bに対して第1走行線22aがZ軸方向に乖離している。第1走行線22aの第1基準線22bに対するZ軸方向に沿った最大乖離寸法T1は、例えば2μm以上である。
一方、図5に示すように、第1断面22と同様に第2断面23に対しても走行線、基準線を規定する。すなわち、第2断面23のZ軸方向の中央に沿って走行しY軸方向に100μm(L)の長さを有する仮想的な線を、第2走行線23aと規定する。また、第2走行線23aの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第2基準線23bと規定する。同図に示すように、第2断面23では、第1基準線22bに対して第1走行線22aがZ軸方向にほぼ乖離しておらず、第2走行線23aの第2基準線23bに対するZ軸方向に沿った最大乖離寸法T2は、約0μmである。つまり、最大乖離寸法T1は、最大乖離寸法T2よりも大きい。
このように、中央内部電極21は、第1断面22において観察され第2断面23では観察されない微小な複数の起伏を有している。実験により、上記構成の積層圧電体11に電圧が印加された場合、X軸方向の変位量が高まることが明らかになった。以下、当該実験結果について説明する。
図6は、積層圧電素子の外部電極に印加する電圧値と変位量との関係を示すグラフであり、横軸が電圧値[V]、縦軸がX軸方向の変位量[nm]を示す。また、実線は、中央内部電極21が起伏を有する本実施形態の実施例に係る圧電積層素子の結果を示す。破線は、全体的に平坦な内部電極を有する本実施形態の比較例に係る圧電積層素子の結果を示す。
同図に示すように、実施例に係る圧電積層素子は、比較例に係る圧電積層素子と比較して、同一の電圧を印加した場合にX軸方向の変位量が約20%高まることが確認された。この理由としてはいくつか考えられるが、一つは、起伏により内部電極12,13の表面積が大きくなり、同一の電圧を印加した際の駆動電流が高まることが挙げられる。また、電界分布の寄与や、内部電極による圧電体への拘束力の低下等、複数の要因があるとも考えられる。
[積層圧電素子10の基本的な製造方法]
図7は、積層圧電素子10の製造方法を示すフローチャートである。図8〜9は、積層圧電素子10の製造過程を示す図である。以下、積層圧電素子10の基本的な製造方法について、図7に沿って、図8〜9を適宜参照しながら説明する。
(ステップS01:セラミックシート積層)
ステップS01では、図8に示すように、積層圧電体11を形成するための第1セラミックシート101、第2セラミックシート102、第3セラミックシート103及び第4セラミックシート104を積層し、セラミック積層体105を作製する。本ステップでは、第1セラミックシート101及び第2セラミックシート102がZ軸方向に交互に積層され、この積層体の上下面にそれぞれ第3セラミックシート103及び第4セラミックシート104が積層される。なお、各セラミックシートの積層枚数は図8の例に限定されない。
セラミックシート101,102,103,104は、圧電セラミックスを主成分とする未焼成の圧電体グリーンシートとして構成される。圧電体グリーンシートは、圧電セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製し、例えば、ロールコーターやドクターブレードなどを用いてシート状に成形される。
図8に示すように、第1セラミックシート101には第1内部電極12に対応する未焼成の第1内部電極112が形成され、第2セラミックシート102には第2内部電極13に対応する未焼成の第2内部電極113が形成されている。また、第3セラミックシート103には、第1表面電極16に対応する未焼成の第1表面電極114が形成される。第4セラミックシート104の一方の面には第1内部電極12に対応する未焼成の第1内部電極112が形成され、他方の面には第2表面電極17に対応する未焼成の第2表面電極115が形成される。
内部電極112,113及び表面電極114,115は、任意の導電性ペーストをセラミックシート101,102,103,104に塗布することによって形成することができる。導電性ペーストの塗布方法は、公知の技術から任意に選択可能であり、例えば、スクリーン印刷法やグラビア印刷法を用いることができる。
なお、セラミックシート103,104各々とセラミックシート101,102の積層構造との間に、導電性ペーストが塗布されていないセラミックシートを1又は複数枚配置することも可能である。これにより、表面電極16,17と内部電極12,13の間の圧電体層20の厚みを調整することができる。なお、この場合、第4セラミックシート104には内部電極が形成されず、第2表面電極115のみが形成される。
(ステップS02:圧着)
ステップS02では、セラミック積層体105を圧着する。これによりセラミックシート101,102,103,104が一体化され、図9に示す未焼成の積層チップ111が形成される。積層チップ111は、焼成前かつ分極処理前の積層圧電体11に相当する。セラミック積層体105の圧着には、例えば、一軸加圧や静水圧加圧などを用いることが好ましい。これにより、積層チップ111を高密度化することが可能である。
図9は、ステップS02で得られる積層チップ111の斜視図である。積層チップ111には、圧電活性部116及びサイドマージン部117が形成されている。内部電極112,113の間にはセラミック層118が形成されており、最上面及び最下面にはそれぞれ表面電極114,115が形成されている。
なお、積層チップ111に対応する複数の領域が形成された積層シートを圧着後切断し、積層チップ111を個片化してもよい。この場合、積層シートを構成するセラミックシートは、複数の内部電極及び表面電極に対応する電極パターンを有している。これにより、一つの積層シートから複数の積層チップを作製することができる。
また、圧電活性部116のみからなる積層体を形成した後、当該積層体の両側面にサイドマージン部117を形成してもよい。
(ステップS03:焼成)
ステップS03では、ステップS02で得られた未焼成の積層チップ111を焼結させることにより、積層圧電体11に対応する積層チップを作製する。本ステップにより得られた積層チップは、分極処理前の積層圧電体11に相当し、図1〜3に示す積層圧電体11と同様の構成を有する。
ステップS03における焼成方法は、積層チップ111の組成や焼結温度に基づいて決定可能である。例えば、300〜500℃で脱バインダ処理を行った後、900〜1200℃程度で焼成することができる。また、焼成は、例えば、還元雰囲気下、大気雰囲気下、又は低酸素分圧雰囲気下において行うことができる。
(ステップS04:外部電極形成)
ステップS04では、ステップS03で得られた積層チップに外部電極14,15を形成することにより、積層圧電素子10に対応するセラミック素子を作製する。本ステップにより得られたセラミック素子は、分極処理前の積層圧電素子10に相当し、図1〜3に示す積層圧電素子10と同様の構成を有する。
ステップS04では、例えば、焼成後の積層チップのX軸方向両端面を覆うように未焼成の電極材料を塗布する。電極材料は、例えば銀(Ag)等を主成分とした導電性ペーストであってもよい。塗布された未焼成の電極材料を、例えば、還元雰囲気下、大気雰囲気下又は低酸素分圧雰囲気下において焼き付けを行うことにより、外部電極14,15が形成される。なお、外部電極14,15の形成方法は、密着性が良好で内部電極及び表面電極への通電が良好であればよく、スパッタリング法、真空蒸着法等を用いてもよい。
なお、上記のステップS04における処理の一部を、ステップS03の前に行ってもよい。例えば、ステップS03の前に未焼成の積層チップ111のX軸方向両端面に未焼成の電極材料を塗布してもよい。これにより、ステップS03において、未焼成の積層チップ111の焼成と電極材料の焼き付けとを同時に行うことができる。
(ステップS05:分極処理)
ステップS05では、焼成後の積層チップを分極処理して圧電活性を付与する。分極処理には、外部電極14,15を用いて積層圧電体11に電圧を印加してもよいし、その他の給電部材を内部電極12,13及び表面電極16,17に接続して電圧を印加してもよい。
これにより、積層圧電素子10が製造される。
なお、ステップS05をステップS04の前に行ってもよい。この場合は、給電部材を内部電極12,13及び表面電極16,17に接続して電圧を印加する。これによっても、焼成後の積層圧電体11に対して分極処理を行うことができる。
[内部電極の製造方法]
本実施形態に係る積層圧電素子10の内部電極12,13は、以下のように製造することができる。
例えば、ステップS02の圧着工程において、弾性変形可能なゴムからなるラバーシートを有するプレス装置を用いて一軸加圧することができる。具体的には、プレス装置の上板と下板の双方にラバーシートを取り付け、これらのラバーシートの間にセラミック積層体105を配置して、一軸加圧する。ラバーシートは、加圧時に、セラミック積層体105の微小な厚みの違い等によって弾性変形する。変形したラバーシートにより圧着されることで、起伏を有する内部電極112,113を形成することができる。
あるいは、グリーンシート又は内部電極の組成を調整し、焼成時におけるグリーンシートと導電性ペーストとの収縮率の差によって内部電極12,13を形成してもよい。あるいは、材料の組成を調整するとともに、圧着時にラバーシートを用いてもよい。
[変形例]
図10及び図11は、本実施形態の変形例に係る積層圧電素子30の構成を示す図である。図10はY軸方向に直交する断面図であり、図2に対応する。図11はX軸方向に直交する断面図であり、図3に対応する。積層圧電素子30は、積層圧電体11と、第1外部電極14と、第2外部電極15と、複数の第1内部電極32と、複数の第2内部電極33と、第1表面電極16と、第2表面電極17と、を備え、内部電極32,33の構成が積層圧電素子10とは異なる。以下、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本変形例において、内部電極32,33のうち、積層圧電体11の中央部に配置された中央内部電極41の電極面には、中央内部電極21と同様の起伏が形成される。一方で、内部電極32,33のうち、主面11eに最も近い位置に配置された周縁内部電極44は、全体として平坦に形成される。なお、中央内部電極41及び周縁内部電極44は、第1内部電極32及び第2内部電極33のどちらであってもよい。また、周縁内部電極44は、内部電極32,33のうち主面11fに最も近い位置に配置されたものであってもよい。
図10に示すように、中央内部電極41のY軸方向から見た断面(すなわちX軸方向に平行でY軸方向に直交する断面)を第1断面42とする。また、図11に示すように、中央内部電極41のX軸方向から見た断面(すなわちY軸方向に平行でX軸方向に直交する断面)を第2断面43とする。これらの図に示すように、第1断面42は、Z軸方向に対して突出又は陥没する複数の起伏を有するが、第2断面43は、ほぼ平坦に構成される。このことから、中央内部電極41の電極面にも、Y軸方向に沿った稜線を有しX軸方向に進行する波状の起伏が形成されていると言える。
一方、図10に示すように、周縁内部電極44のY軸方向から見た断面(すなわちX軸方向に平行でY軸方向に直交する断面)を第3断面45とし、図11に示すように、周縁内部電極44のX軸方向から見た断面(すなわちY軸方向に平行でX軸方向に直交する断面)を第4断面46とする。これらの図に示すように、第3断面45及び第4断面46のいずれも、ほぼ平坦に構成される。このことから、周縁内部電極44は、全体として平坦に構成されると言える。
中央内部電極41及び周縁内部電極44の微視的な形状についてさらに説明する。
図12及び図13は、いずれも走査型電子顕微鏡によって縦50μm×横250μmの視野で観察した積層圧電体11の断面を示す図である。図12は、図10の拡大図に相当し、積層圧電体11のX軸方向及びZ軸方向における中央部のY軸方向に直交する断面を示す。図13も、図10の拡大図に相当し、積層圧電体11のY軸方向における中央部でかつ主面11e付近の断面を示す図である。図12には中央内部電極41の第1断面42の一部が示されており、図13には周縁内部電極44の第3断面45の一部が示されている。
図12に示すように、第1断面42のZ軸方向の中央に沿って走行しX軸方向に100μm(L)の長さを有する仮想的な線を、第1走行線42aと規定する。また、第1走行線42aの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第1基準線42bと規定する。第1断面42では、第1基準線42bに対して第1走行線42aがZ軸方向に乖離している。第1走行線42aの第1基準線42bに対するZ軸方向に沿った最大乖離寸法T1'は、例えば2μm以上である。
一方で、図13に示すように、第3断面45に対しても走行線、基準線を規定する。すなわち、第3断面45のZ軸方向の中央に沿って走行しX軸方向に100μm(L)の長さを有する仮想的な線を、第3走行線45aと規定する。また、第3走行線45aの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第3基準線45bと規定する。同図に示すように、第3断面45では、第3基準線45bに対して第3走行線45aがZ軸方向にほぼ乖離しておらず、第3走行線45aの第3基準線45bに対するZ軸方向に沿った最大乖離寸法T3は、約0μmである。つまり、最大乖離寸法T1'は最大乖離寸法T3よりも大きい。
このように、中央部に配置された中央内部電極41に起伏が形成されていれば、主面11e,11f付近の周縁内部電極44に起伏が形成されていなくてもよい。この構成によっても、図6で説明した実験と同様の実験により、積層圧電体11の変位量を高めることができることが確認された。
なお、積層圧電体11の中央部に配置された1又は複数の内部電極32,33のみが起伏を有していてもよいし、中央部から主面11e,11f付近の内部電極32,33に近づくに従い次第に起伏が小さくなるように構成してもよい。
[圧電振動装置]
積層圧電素子10は、圧電横効果によってX軸方向に動作する圧電アクチュエータとして広く利用可能である。積層圧電素子10の用途の一例として、振動を発生させる圧電振動装置が挙げられる。以下、積層圧電素子10を用いて構成されたユニモルフ型の圧電振動装置50について説明する。
図14は、圧電振動装置50の断面図である。圧電振動装置50は、積層圧電素子10と、振動板51と、接着層52と、を備える。振動板51は、XY平面に沿って延びる平板として構成され、積層圧電素子10の第1主面11eに対向して配置されている。接着層52は、積層圧電素子10と振動板51との間に配置されている。
振動板51は、例えば、金属やガラスなどで形成され、Z軸方向に可撓性を有する。接着層52は、樹脂材料などによって形成され、積層圧電素子10と振動板51とを接合している。接着層52は、積層圧電素子10のZ軸方向下部に密着し、振動板51のZ軸方向上面に密着している。
接着層52は、積層圧電体11の第1主面11eと振動板51との間に充填され、積層圧電体11と振動板51とを広範囲で接合している。これにより、圧電振動装置50では、積層圧電素子10と振動板51との間における接着層52を介した高い接合強度が得られる。
圧電振動装置50では、接着層52による積層圧電素子10と振動板51との接合強度が高いため、積層圧電素子10を大きく伸縮させた場合であっても、積層圧電素子10が振動板51から剥がれにくい。このため、圧電振動装置50では、振動板51の大きい振動が維持される。
[電子機器]
図15A,15Bは、積層圧電素子10を用いた電子機器60を模式的に示す図である。図15Aは、電子機器60の平面図である。図15Bは、電子機器60の図15AのC−C'線に沿った断面図である。電子機器60は、一般的にスマートフォンと呼ばれる多機能型の携帯通信端末として構成される。
電子機器60は、積層圧電素子10と、筐体61と、パネル62と、を有する。筐体61は、XY平面に沿って矩形に延びる底板61aと、底板61aの周縁からZ軸方向上方に延びる枠体61bと、を有し、Z軸方向上方に開放された箱型に形成されている。パネル62は、XY平面に沿って矩形に延び、筐体61をZ軸方向上方から閉塞している。
筐体61は、電子機器60の様々な機能を実現するための回路基板や電子部品などの各構成(不図示)を収容する。パネル62は、タッチパネルとして構成されている。つまり、パネル62は、画像を表示する画像表示機能と、ユーザの手指などによる入力操作を検出する入力機能と、を兼ね備えている。
なお、パネル62は、タッチパネルに限定されず、上記のような構成を有さなくてもよい。例えば、パネル62は、画像表示機能を有さず、入力機能のみを有するタッチパッドであってもよい。また、パネル62は、電子機器60に別途設けられたタッチパネルを保護する保護パネルであってもよい。
積層圧電素子10は、パネル62のZ軸方向下面に接着され、筐体61内において底板61aに対向している。パネル62のZ軸方向下面における積層圧電素子10の位置は任意に決定可能である。電子機器60では、パネル62が、図14に示す圧電振動装置50における振動板51の機能を果たす。
つまり、電子機器60は、積層圧電素子10のX軸方向への伸縮により、パネル62を振動させることができる。このため、パネル62は、良好に振動可能なガラスやアクリル樹脂などを主原料とすることが好ましい。また、積層圧電素子10とパネル62とを接着する接着層は、圧電振動装置50の接着層52と同様の構成であることが好ましい。
電子機器60は、パネル62を振動させて、気導や骨伝導などによって音を発生させることによって、ユーザに音声情報を提供することができる。また、電子機器60は、パネル62を振動させることによって、例えばパネル62に対して入力操作を行うユーザに対して、触覚を提示することもできる。
なお、パネル62のZ軸方向上面は、典型的には平面であるが、例えば、湾曲面などであってもよい。また、電子機器60は、スマートフォンに限定されず、例えば、タブレット端末、ノートパソコン、携帯電話、腕時計、フォトスタンド、各種機器のリモコンや操作部などとして構成されていてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、積層圧電素子10が表面電極16,17を有すると説明したが、表面電極を有さなくてもよい。この場合、積層圧電体11の主面11e,11f付近には絶縁性セラミックスで形成されたカバー部が形成される。これにより、圧電積層体のZ軸方向に関してもカバー部で保護することができる。
10,30…積層圧電素子
11…積層圧電体
12,13,32,33…内部電極
21,41…中央内部電極
22,42…第1断面
23,43…第2断面
44…周縁内部電極
45…第3断面
50…圧電振動装置
51…振動板
52…接着層
60…電子機器
61…筐体
62…パネル

Claims (6)

  1. 第1軸方向に対向する一対の主面と、前記第1軸方向に直交し長手方向である第2軸方向に対向する一対の端面と、前記第1軸方向及び前記第2軸方向に直交する第3軸方向に対向する一対の側面とを有する積層圧電体と、
    前記積層圧電体の内部に配置され、前記第1軸方向に積層された複数の内部電極と
    を具備し、
    前記複数の内部電極のうち、前記積層圧電体の中央部に配置された中央内部電極の前記第3軸方向から見た第1断面は、前記中央内部電極の前記第2軸方向から見た第2断面よりも大きな起伏を有する
    積層圧電素子。
  2. 請求項1に記載の積層圧電素子であって、
    前記第1断面の前記第1軸方向における中央に沿って走行し前記第2軸方向に100μmの長さを有する第1走行線と、前記第1走行線の端点間を結ぶ直線である第1基準線との前記第1軸方向における最大乖離寸法は、前記第2断面の前記第1軸方向における中央に沿って走行し前記第3軸方向に100μmの長さを有する第2走行線と、前記第2走行線の端点間を結ぶ直線である第2基準線との前記第1軸方向における最大乖離寸法よりも大きい
    積層圧電素子。
  3. 請求項2に記載の積層圧電素子であって、
    前記第1走行線と前記第1基準線との前記最大乖離寸法は、2μm以上である
    積層圧電素子。
  4. 請求項1から3のうちいずれか一項に記載の積層圧電素子であって、
    前記複数の内部電極のうち、前記積層圧電体の前記一対の主面のうちの一方の主面に最も近い位置に配置された周縁内部電極の前記第3軸方向から見た第3断面よりも、前記第1断面は大きな起伏を有する
    積層圧電素子。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載の積層圧電素子と、
    前記積層圧電素子に対して前記第1軸方向に対向する振動板と、
    前記積層圧電素子と前記振動板との間に配置された接着層と、
    を具備する圧電振動装置。
  6. 請求項1から4のいずれか1項に記載の積層圧電素子と、
    前記積層圧電素子が前記第1軸方向に対向した状態で接着されたパネルと、
    前記パネルを保持する筐体と、
    を具備する電子機器。
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